Когнитивная нагрузка

В когнитивной психологии когнитивная нагрузка относится к используемому объему ресурсов рабочей памяти. Теория когнитивной нагрузки делит когнитивную нагрузку на три типа: внутреннюю, внешнюю и актуальную.

Внутренняя когнитивная нагрузка - это усилие, связанное с конкретной темой, внешняя когнитивная нагрузка относится к способу представления информации или задач учащемуся, а актуальная когнитивная нагрузка относится к работе, выполняемой для создания постоянного хранилища знаний или схемы .

Теория когнитивной нагрузки была разработана в конце 1980-х годов на основе исследования решения проблем Джоном Свеллером . Свеллер утверждал, что учебное проектирование может быть использовано для снижения когнитивной нагрузки у учащихся. Гораздо позже другие исследователи разработали способ измерения воспринимаемого умственного усилия, которое свидетельствует о когнитивной нагрузке.[2] [3] вызванный задачей зрачковый ответ является надежным и чувствительным измерением когнитивной нагрузки, которая непосредственно связана с рабочей памятью . Информация может храниться в долговременной памяти только после того, как она была обработана и обработана рабочей памятью. Рабочая память, однако, крайне ограничена как по объему, так и по длительности. Эти ограничения, при определенных условиях, будут препятствовать обучению. Тяжелая когнитивная нагрузка может оказывать негативное влияние на выполнение задания, и важно отметить, что опыт когнитивной нагрузки не является одинаковым у всех. Пожилые люди, студенты и дети испытывают разные, а чаще более высокие, объемы когнитивной нагрузки.

Фундаментальный принцип теории когнитивной нагрузки заключается в том, что качество учебного проектирования будет повышено, если больше внимания уделяется роли и ограничениям рабочей памяти.

При повышенном отвлечении внимания, особенно от использования сотового телефона, студенты более склонны испытывать высокую когнитивную нагрузку, которая может уменьшить академическую успешность.

Теория

"Теория когнитивной нагрузки была разработана для обеспечения руководящих принципов, предназначенных для оказания помощи в представлении информации таким образом, чтобы стимулировать деятельность учащихся, которая оптимизирует интеллектуальные показатели". теория Свеллера использует аспекты теории обработки информации, чтобы подчеркнуть врожденные ограничения одновременной нагрузки рабочей памяти на обучение во время обучения. Он использует схему в качестве основной единицы анализа для проектирования учебных материалов .

История

История теории когнитивной нагрузки прослеживается до начала развития когнитивной науки в 1950-е годы и работы Г. А. Миллера . В своей классической работе [7] Миллер, возможно, был первым, кто предположил, что наша рабочая память имеет врожденные пределы. Его экспериментальные результаты показали, что люди обычно способны удерживать в кратковременной памяти только семь плюс-минус две единицы информации. А в начале 1970-х годов Саймон и Чейз были первыми, кто использовал термин "чанк" для описания того, как люди могли бы организовать информацию в краткосрочной памяти. Это разделение компонентов памяти также было описано как построение схемы.

В конце 1980-х годов Джон Свеллер разработал теорию когнитивной нагрузки (CLT) при изучении решения проблем.[1] изучая учащихся по мере их решения проблем, он и его коллеги обнаружили, что учащиеся часто используют стратегию решения проблем, называемую анализом средств-целей. Он предлагает решать проблемы с помощью анализа средств-целей, что требует относительно большого объема когнитивных возможностей обработки, которые не могут быть посвящены построению схемы. Свеллер предполагает, что проектировщики учебных материалов должны предотвратить эту ненужную когнитивную нагрузку, разрабатывая учебные материалы, которые не связаны с решением проблем. Примеры альтернативных учебных материалов включают в себя то, что известно как отработанные примеры и проблемы без цели.

В 1990-е годы теория когнитивной нагрузки применялась в нескольких контекстах. Эмпирические результаты этих исследований привели к демонстрации нескольких эффектов обучения: эффект завершения задачи; [9] эффект модальности ; эффект разделения внимания ; [12] эффект отработанного примера ; и эффект обращения опыта .

Типы

Когнитивная теория нагрузки обеспечивает общую структуру и имеет широкие последствия для учебного проектирования, позволяя разработчикам учебных материалов контролировать условия обучения в рамках окружающей среды или, в более общем плане, в рамках большинства учебных материалов. В частности, он предоставляет эмпирически обоснованные рекомендации, которые помогают учебным проектировщикам уменьшить внешнюю когнитивную нагрузку во время обучения и, таким образом, переориентировать внимание учащегося на важные материалы, тем самым увеличивая важную (связанную со схемой) когнитивную нагрузку. Эта теория различает три типа когнитивной нагрузки: внутреннюю когнитивную нагрузку, актуальную когнитивную нагрузку и внешнюю когнитивную нагрузку.

Встроенный

Внутренняя когнитивная нагрузка-это присущий ей уровень сложности, связанный с конкретной учебной темой. Этот термин впервые был использован в начале 1990-х годов Чендлером и Свеллером.[16] согласно им, все инструкции имеют присущую им трудность, связанную с этим (например, вычисление 2 + 2, по сравнению с решением дифференциального уравнения ). Эта врожденная трудность не может быть изменена инструктором. Однако многие схемы могут быть разбиты на отдельные "подсхемы" и преподаваться изолированно, чтобы впоследствии быть сведенными вместе и описанными как единое целое.

Посторонний

Внешняя когнитивная нагрузка порождается тем, каким образом информация представляется учащимся и находится под контролем проектировщиков учебного процесса. Эту нагрузку можно отнести к конструкции учебных материалов. Поскольку существует один ограниченный когнитивный ресурс, использующий ресурсы для обработки внешней нагрузки, количество доступных ресурсов для обработки внутренней нагрузки и актуальной нагрузки (т. е. обучения) уменьшается. Таким образом, особенно в тех случаях, когда внутренняя и/или существенная нагрузка высока (т. е. когда проблема трудна), материалы должны быть сконструированы таким образом, чтобы уменьшить внешнюю нагрузку.[18]

Пример внешней когнитивной нагрузки возникает тогда, когда существует два возможных способа описания квадрата для студента.[19] Квадрат-это фигура, и он должен быть описан с помощью фигуральной среды. Конечно, инструктор может описать квадрат в вербальной среде, но требуется всего лишь секунда и гораздо меньше усилий, чтобы увидеть, о чем говорит инструктор, когда ученику показывают квадрат, а не описывать его вербально. В этом случае предпочтительна эффективность визуального носителя. Это происходит потому, что он не слишком загружает учащегося ненужной информацией. Эта ненужная когнитивная нагрузка описывается как посторонняя.

Чендлер и Свеллер ввели понятие посторонней когнитивной нагрузки. Эта статья была написана, чтобы сообщить о результатах шести экспериментов, которые они провели, чтобы исследовать эту рабочую нагрузку памяти. Многие из этих экспериментов включали материалы, демонстрирующие эффект расщепленного внимания. Они обнаружили, что формат учебных материалов либо способствует, либо ограничивает обучение. Они предположили, что различия в показателях были обусловлены более высокими уровнями когнитивной нагрузки, обусловленной форматом обучения. "Внешняя когнитивная нагрузка" - это термин, обозначающий эту ненужную (искусственно вызванную) когнитивную нагрузку.

Germane

Актуальной когнитивной нагрузкой является обработка, построение и автоматизация схем . Он был впервые описан Sweller, Van Merriënboer и Paas в 1998 году. В то время как внутренняя когнитивная нагрузка обычно считается неизменной (хотя методы могут быть применены для управления сложностью путем сегментирования и секвенирования сложного материала), разработчики учебных программ могут манипулировать посторонней и уместной нагрузкой. Предполагается, что они ограничивают внешнюю нагрузку и способствуют нормальной нагрузке.

До статьи 1998 года Sweller, Van Merriënboer & Paas, теория когнитивной нагрузки в основном концентрировалась на снижении внешней когнитивной нагрузки. С этой статьей исследователи когнитивной нагрузки начали искать способы перепроектирования инструкции, чтобы перенаправить то, что было бы посторонней нагрузкой, чтобы теперь сосредоточиться на построении схемы (germane load). Таким образом, для проектировщиков учебных программ очень важно "уменьшить внешнюю когнитивную нагрузку и перенаправить внимание обучающихся на когнитивные процессы, непосредственно связанные с построением схем".

Измерение

Paas и Van Merriënboer [2] разработали конструкцию (известную как относительная эффективность условий), которая помогает исследователям измерить воспринимаемое умственное усилие, индекс когнитивной нагрузки. Эта конструкция обеспечивает относительно простые средства сравнения учебных условий. Он сочетает в себе оценки умственных усилий с оценками производительности. Групповые средние z-баллы представлены на графике и могут быть сопоставлены с односторонним дисперсионным анализом (ANOVA) .

Paas и Van Merriënboer использовали относительную эффективность условий для сравнения трех учебных условий (отработанные примеры, задачи завершения и практика обнаружения). Они обнаружили, что учащиеся, изучавшие отработанные примеры, были наиболее эффективными, а затем те, кто использовал стратегию завершения проблемы. Начиная с этого раннего исследования многие другие исследователи использовали этот и другие конструкты для измерения когнитивной нагрузки, связанной с обучением и инструкцией.

Эргономический подход направлен на количественное нейрофизиологическое выражение когнитивной нагрузки, которое может быть измерено с помощью обычных инструментов, например, с использованием продукта сердечного ритма - артериального давления (RPP) в качестве меры как когнитивной, так и физической профессиональной нагрузки. они считают, что можно было бы использовать меры РПП для установления ограничений на рабочие нагрузки и для установления надбавки за работу.

Вызванная задачей зрачковая реакция - это форма измерения, которая непосредственно отражает когнитивную нагрузку на рабочую память . Установлено, что большая дилатация зрачка связана с высокой когнитивной нагрузкой. сужение зрачка происходит при низкой когнитивной нагрузке.[4] вызванный задачей зрачковый ответ показывает прямую корреляцию с рабочей памятью, что делает его эффективным измерением когнитивной нагрузки, явно не связанной с обучением.

Некоторые исследователи сравнивали различные показатели когнитивной нагрузки. например, Deleeuw и Mayer (2008) сравнили три часто используемых показателя когнитивной нагрузки и обнаружили, что они по-разному реагируют на внешнюю, внутреннюю и актуальную нагрузку.

Установлены следующие показатели движения глаз и зрачковой реакции при когнитивной нагрузке: [24]

• средний диаметр зрачка
• отклонение диаметра зрачка
• количество фиксаций взгляда > 500 миллисекунд
• скорость саккады
• зрачковый ГИПП

Индивидуальные различия в производительности обработки

Были найдены доказательства того, что отдельные лица систематически различаются по своему перерабатывающему потенциалу. например, существуют индивидуальные различия в перерабатывающих мощностях между новичками и экспертами.[28] эксперты имеют больше знаний или опыта в отношении конкретной задачи, что снижает когнитивную нагрузку, связанную с этой задачей. Новички не имеют такого опыта или знаний и, таким образом, имеют более тяжелую когнитивную нагрузку.

Была выдвинута теория, что обедненная окружающая среда может способствовать когнитивной нагрузке. независимо от поставленной задачи или процессов, используемых при ее решении, люди, испытывающие бедность, также испытывают более высокую когнитивную нагрузку. Ряд факторов способствуют когнитивной нагрузке у людей с низким социально-экономическим статусом, которые отсутствуют у людей среднего и высшего класса.

Определение обрабатывающей способности индивидуумов может быть чрезвычайно полезно для дальнейшей адаптации инструкций (или прогнозирования поведения) индивидуумов. Соответственно, очевидно, что было бы желательно провести дальнейшие исследования. Во-первых, необходимо рассчитать нагрузку на память, вызванную детальным анализом используемых процессов. Во-вторых, крайне важно обеспечить, чтобы отдельные субъекты действительно использовали эти процессы. Последнее требует интенсивной предварительной подготовки.

Влияние тяжелой когнитивной нагрузки

Смотрите также: Эффект аудитории и теория драйва

Тяжелая когнитивная нагрузка, как правило, создает ошибку или какое-то вмешательство в текущей задаче. тяжелая когнитивная нагрузка может также увеличить стереотипирование . стереотипизация является продолжением фундаментальной ошибки атрибуции, которая также увеличивается в частоте с более тяжелой когнитивной нагрузкой. понятия когнитивной нагрузки и возбуждения способствуют "гипотезе перегрузки" объяснения социальной фасилитации : в присутствии аудитории субъекты, как правило, хуже выполняют субъективно сложные задачи (в то время как они, как правило, преуспевают в субъективно простых задачах).

Субпопуляционные исследования

Пожилые

Опасность тяжелой когнитивной нагрузки видна и у пожилых людей. Старение может вызвать снижение эффективности рабочей памяти,что может способствовать повышению когнитивной нагрузки. взаимосвязь между тяжелой когнитивной нагрузкой и контролем центра масс в значительной степени коррелирует в пожилой популяции. По мере увеличения когнитивной нагрузки у пожилых людей увеличивается раскачивание в центре масс. В другом исследовании изучалась взаимосвязь между качанием тела и когнитивными функциями и их взаимосвязь при многозадачности и были обнаружены нарушения равновесия, приводящие к снижению эффективности выполнения когнитивной задачи . тяжелая когнитивная нагрузка может нарушать равновесие у пожилых людей. И наоборот, растущий спрос на равновесие может увеличить когнитивную нагрузку.

Студенты колледжа

С широким признанием ноутбуков в классе, увеличение когнитивной нагрузки в то время как в школе является серьезной проблемой. С использованием Facebook и других социальных форм общения, добавление нескольких задач вредит производительности студентов в классе. Когда доступно много когнитивных ресурсов, вероятность переключения с одной задачи на другую высока и не приводит к оптимальному поведению переключения. как студенты, которые были тяжелыми пользователями Facebook, так и студенты, которые сидели рядом с теми, кто был тяжелыми пользователями Facebook, показали плохие результаты и привели к более низкому баллу GPA .

Дети

Компоненты рабочей памяти, предложенные британскими психологами Аланом Бэддли и Грэмом Хитчем , действуют с 6-летнего возраста.Однако существует явная разница между знаниями взрослого и ребенка. Эти различия обусловлены развитием повышения эффективности обработки. детям не хватает общих знаний, и именно это создает повышенную познавательную нагрузку у детей. Дети из бедных семей часто испытывают даже более высокую когнитивную нагрузку в учебной среде, чем дети из семей среднего класса. Эти дети не слышат, не говорят и не изучают концепции школьного образования, потому что их родители часто не имеют формального образования. когда речь заходит об обучении, отсутствие у них опыта работы с числами, словами и понятиями увеличивает их когнитивную нагрузку.

По мере того как дети растут более старыми они начинают главные основные процессы и способности.Они также развивают метакогнитивные способности, что помогает им понять собственную познавательную деятельность.[40] наконец, они получают большее знание о содержании через свой опыт. Эти элементы помогают снизить когнитивную нагрузку у детей по мере их развития.

Жестикуляция-это техника, которую дети используют для снижения когнитивной нагрузки во время разговора.Жестикулируя, они могут освободить рабочую память для других задач. указывание позволяет ребенку использовать объект, на который он указывает , как лучшее его представление, что означает, что им не нужно удерживать это представление в своей рабочей памяти, тем самым уменьшая их когнитивную нагрузку.Кроме того, указывая на объект, который отсутствует, они уменьшают трудность того, чтобы представить его в своем уме.

Воплощение и интерактивность

Физическая активность может быть как полезной, так и вредной для обучения в зависимости от того, как эта активность реализуется. теоретики когнитивной нагрузки запросили обновления, которые делают CLT более совместимым с результатами исследований воплощенного познания. в результате была предложена теория овеществленной когнитивной нагрузки как средство прогнозирования полезности интерактивных функций в условиях обучения. В этом контексте преимущества интерактивной функции (такие как более легкая когнитивная обработка) должны превышать ее когнитивные затраты (такие как моторная координация) для того, чтобы воплощенный способ взаимодействия увеличивал результаты обучения.

Смотрите также

• Педагогическая психология-направление психологии, занимающееся научным изучением обучения человека
• Человеческий фактор и эргономика-применение психологических и физиологических принципов к проектированию и проектированию
• Профессиональный стресс
• Задача-вызываемая зрачковая реакция
• Задача загрузки-связь между емкостью оператора и накопленной деятельностью, чем необходимо заниматься (в подводном плавании)
• Информационная перегрузка

Специальные выпуски журнала

Для тех, кто хочет узнать больше о теории когнитивной нагрузки, пожалуйста, ознакомьтесь с этими журналами и специальными выпусками этих журналов:

• Педагог-психолог, т. 43 (4) ISSN 0046-1520
• Прикладная когнитивная психология vol. 20(3) (2006)
• Прикладная когнитивная психология vol. 21(6) (2007)
• ETR&D vol. 53 (2005)
• Учебная наука vol. 32(1) (2004)
• Педагог-психолог vol. 38(1) (2003)
• Обучение и инструктаж vol. 12 (2002)
• Компьютеры в человеческом поведении vol. 25 (2) (2009)

Для стандартов эргономики см.:

• ISO 10075-1: 1991 эргономические принципы, связанные с умственной нагрузкой-Часть 1: общие термины и определения
• ISO 10075-2: 1996 эргономические принципы, связанные с умственной нагрузкой-Часть 2: принципы проектирования
• ISO 10075-3: 2004 эргономические принципы, связанные с умственной нагрузкой-Часть 3: принципы и требования, касающиеся методов измерения и оценки умственной нагрузки
• ISO 9241 эргономика взаимодействия человеческих систем

Дальнейшее чтение

• Barrett, H. C.; Frederick, D.; Haselton, M.; Kurzban, R. (2006). "Можно ли манипуляции с когнитивной нагрузкой использовать для проверки эволюционных гипотез?" (PDF). Журнал о личности и социальной психологии . . CiteSeerX . Архивирован с оригинала на 2011-06-08 гг.
• Cooper, G. (1990). "Теория когнитивной нагрузки как вспомогательное средство для учебного проектирования" . Австралийский журнал образовательных технологий . Архивирован с оригинала на 2002-10-28 гг.
• Купер, Грэм (1998). "Исследование теории когнитивной нагрузки и учебного проектирования в ЮНСО" .

Plass, J. L.; Moreno, R.; Brünken, R., eds. (2010). Теория Когнитивной Нагрузки . New York: Cambridge University Press. .

• Конференция по теории когнитивной нагрузки UNSW-Сидней Австралия 24-26 марта 2007 года
• Khawaja, M. Asif; Chen, Fang; Marcus, Nadine (2014). "Измерение когнитивной нагрузки с использованием лингвистических признаков: последствия для оценки удобства использования и проектирования адаптивного взаимодействия". Международный журнал человеко-компьютерного взаимодействия . .
• Sweller, J. (1994). "Теория когнитивной нагрузки, трудности обучения и учебный дизайн". Обучение и инструктаж . .
• Sweller, J. (1999). Учебное проектирование в технических областях . Камберуэлл, Австралия: Австралийский Совет по образовательным исследованиям.

Пруф

.youtube.com/watch?v=RyuOU2RasRQ

• .iclta.net/